智能变电站通信业务优先级及其队列调度方法

doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021107

通信学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (7): 25-40.doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2021107

智能变电站通信业务优先级及其队列调度方法

李俊娥¹^,², 陆秋余¹^,², 刘剑³, 袁凯³, 田薇³, 彭弼君³

¹ 空天信息安全与可信计算教育部重点实验室，湖北武汉 430072
² 武汉大学国家网络安全学院，湖北武汉 430072
³ 武汉大学电气与自动化学院，湖北武汉 430072

修回日期:2021-03-01 出版日期:2021-07-25 发布日期:2021-07-01
作者简介:李俊娥（1966− ），女，河北怀安人，博士，武汉大学教授、博士生导师，主要研究方向为计算机网络体系结构、网络安全、电力信息物理系统和电力工业控制安全等
陆秋余（1996− ），女，浙江杭州人，武汉大学博士生，主要研究方向为智能电网通信QoS保障和网络安全
刘剑（1976− ），男，湖北黄陂人，博士，武汉大学副教授，主要研究方向为电力系统可靠性、风险评估、全寿命周期成本评估和智能电网的在线监测及预警等
袁凯（1989− ），男，湖北荆州人，武汉大学博士生，主要研究方向为智能电网通信QoS保障和可靠性分析
田薇（1992− ），女，四川眉山人，武汉大学硕士生，主要研究方向为电力系统网络通信、信息采集和电力系统自动化
彭弼君（1992− ），女，湖南长沙人，武汉大学硕士生，主要研究方向为电力系统网络通信
基金资助:
国家电网有限公司总部科技项目“针对网络攻击的电网信息物理系统协同运行态势感知与主动防御方法研究”基金资助项目(SGJSDK00KJJS1800315)

Communication service priority in smart substation and its queue scheduling method

Jun’e LI¹^,², Qiuyu LU¹^,², Jian LIU³, Kai YUAN³, Wei TIAN³, Bijun PENG³

¹ Key Laboratory of Aerospace Information Security and Trusted Computing, Ministry of Education, Wuhan 430072, China
² School of Cyber Science and Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China
³ School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China

Revised:2021-03-01 Online:2021-07-25 Published:2021-07-01
Supported by:
The Science and Technology Project of State Grid Corporation of China “Research on Cooperative Situation Awareness and Active Defense Method of Cyber Physical Power System for Cyber Attack”(SGJSDK00KJJS1800315)

摘要/Abstract

摘要：

电网的发展对智能变电站提出了全站一网的要求。为满足多种通信业务的不同服务质量（QoS）需求，并保证网络拥塞时关键业务的实时性与可靠性，提出了一种智能变电站业务优先级及其队列调度方法。综合考虑业务时延要求、业务对电网运行控制的重要度和业务流量大小3种因素，对站内通信业务进行了优先级划分；针对新的业务优先级，结合严格优先级队列（SPQ）算法和赤字加权轮询（DWRR）算法的优点，设计了分层级赤字加权轮询（HDWRR）队列调度算法。仿真结果表明，所提方法对恶意流量具有较好的隔离能力，在网络拥塞时仍能保证智能变电站关键业务的实时可靠传输。

关键词: 智能变电站, 业务优先级, 队列调度, 服务质量

Abstract:

The future development of power grid puts forward the requirement of unified network for all the communication services in smart substation.In order to meet the different quality of service (QoS) requirements of various communication services, as well as ensure the real-time and reliability of key services when the network congestion occurs, a priority scheme and its queue scheduling method for the smart substation was proposed.The priorities of the communication services in the smart substation were assigned considering the delay requirements, the importance to power grid operation control, and the traffic of the communication services.The queue scheduling algorithm of hierarchical deficit weighted round robin (HDWRR), combining the advantages of strict priority queue (SPQ) algorithm and deficit weight round robin (DWRR) algorithm, was designed for the proposed priority scheme.The simulation results show that the proposed method has isolation ability for malicious traffic, and can ensure the real-time and reliable transmission of key services in smart substation once the network is congested.

Key words: smart substation, service priority, queue scheduling, QoS

中图分类号:

TM73

李俊娥, 陆秋余, 刘剑, 袁凯, 田薇, 彭弼君. 智能变电站通信业务优先级及其队列调度方法[J]. 通信学报, 2021, 42(7): 25-40.

Jun’e LI, Qiuyu LU, Jian LIU, Kai YUAN, Wei TIAN, Bijun PENG. Communication service priority in smart substation and its queue scheduling method[J]. Journal on Communications, 2021, 42(7): 25-40.

图/表 13

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表1

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参考文献 26

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系统运行状态	分组类型	业务类型	时延要求/ms	数据分组丢失率要求
故障	GOOSE	跳闸命令	≤3	无数据分组丢失
	GOOSE	开关位置变化信息	≤20	无数据分组丢失
	SV	采样值信息	≤3	无数据分组丢失
正常	GOOSE	设备状态信息	≤100	无数据分组丢失
	IEEE 1588	时间同步信息	未直接定义	无数据分组丢失
	MMS	文件传输信息	无具体限制	数据分组丢失重传

业务类型	默认两级优先级	新的业务优先级
跳闸命令	4	7
开关位置变化信息	4	6
采样值信息	4	5
设备状态信息	4	4
时间同步信息	1	3
文件传输信息	1	1

参数或函数	说明
PerqueSize	每个队列允许入队的最大长度
BufferSize	输出缓存区的大小
p	一个分组
prio	分组优先级大小
size	分组长度
Dwrrque()	采用DWRR算法调度的队列
ActiveList()	当前有效队列列表
Headnode	ActiveList的头部队列
Prioque()	采用SPQ算法调度的队列
bytelen	队列当前长度
active	队列是否有效
dc	赤字计数器
w	权值
q	服务量子
ρ	定值，可赋值，为正整数
Total_Prioque_Bytelen	采用DWRR调度队列的总长度
Total_Dwrrque_Bytelen	采用SPQ调度队列的总长度
enque()	入队操作
deque()	出队操作
drop()	丢弃分组
InsertActiveList()	将某队列添加到ActiveList的尾部

队列调度算法	时间复杂度	空间复杂度
HDWRR（本文算法）	O(1)	O(N)
SPQ	O(1)	O(1)
具有优先级队列的改进WFQ	O(N)	O(N)
ISS	O(N)	O(N)
带有优先级队列的改进WRR	O(1)	O(MN)

业务类型	分组长度/B	流量大小/(Mbit·s^-1)	优先级
跳闸命令	204	0.816	7
开关位置变化信息	145	2.266	6
采样值信息	171	5.472	5
设备状态信息	256	0.102	4
时间同步信息	100	0.000 8	3
文件传输信息	1 000	8	1

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Communication service priority in smart substation and its queue scheduling method

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